JP7094467B2 - 多重反射セル、ガス分析装置、及び多重反射セルの構成方法 - Google Patents
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Description
これにより、セル本体の内部空間として必要な容積を非常に小さくすることができ、その結果、内部空間に導入される試料ガスの置換速度を向上させることが可能となり、分析の応答速度を大幅に向上させることができる。
しかしながら、トロイダルミラーを精度良く製作するためには、高度な加工技術が必要であり、球面ミラーに比べて製造コストが大幅に増加する。
しかしながら、上述した調整方法では、複数の調整ネジを押したり引いたりする作業を繰り返しながらミラーの向きを調整するので、調整に手間がかかるうえ、複数の調整ネジを設けることで部品点数が多くなり、それに準じてコストも増加する。
これにより、例えばミラーのあおり方向や首振り方向を変えるための調整ネジ等を用いることなく、少ない部品点数でミラーの位置を簡単に調整することが可能となる。
このような構成であれば、基準平面に対して直交する方向にはミラーの位置調整を不要にすることができ、基準平面と平行な面内方向に沿ってセル要素をスライドさせることでミラーの位置調整を完了させることができる。
このような構成であれば、セル要素をガイド面によって規制されたスライド方向にスライドさせることでミラーの位置調整を完了させることができ、ミラーの位置決めをより簡単にすることができる。
このようなガス分析装置であれば、上述した多重反射セルと同様の作用効果を奏し得る。
本発明に係るガス分析装置100は、多重反射セル20が特徴的であるので、まずはそれ以外の各部について説明する。
なお、光スポットPは、必ずしも1本の線上に点在する必要はなく、例えば複数の直線上や複数の放物線上や複数の楕円上に点在しても良い。
以下では、説明の便宜上、図2や図6に示すように、セル本体1の長手方向を前後方向、セル本体2の長手方向に直交する方向を左右方向と言い、図5に示すように、前後方向及び左右方向に直交する方向、つまりセル本体の厚み方向を上下方向と言う。
なお、入射窓W1及び射出窓W2は、互いに異なる側壁に設けられていても良いし、互いに異なる透光板3によって形成されていても良い。
なお、透光板3の内部での多重反射による光の干渉によるノイズ(フリンジノイズ)を低減させるべく、透光板3の内部空間S側の面は、光源10からの光の進行方向に対して傾斜させている。
例えば、第1セル要素11において第1ミラー2Aが取り付けられている面、すなわち底壁1bの内向き面を基準平面Bとした場合、第1ミラー2A及び第2ミラー2Bは、基準平面Bと直交する方向に位置決めされる。なお、基準平面Bは、光軸LA、LBと平行な平面であれば良く、底壁1bの外向き面としても良いし、第2セル要素12において第2ミラー2Bが取り付けられている面、すなわち上壁1fの内向き面としても良いし、セル本体1が載置される面としても良い。また、後述する第1スライド面51や第2スライド面52が各ミラー2A、2Bと平行な場合は、これらの第1スライド面51や第2スライド面52を基準平面Bとしても良い。
本実施形態では、側壁の複数箇所に押し込み部材53が設けられている。具体的に押し込み部材53は、前壁1a又は後壁1eの少なくとも一方に設けられるとともに、左壁1c又は右壁1dの少なくとも一方に設けられている。ここでの押し込み部材53は、前壁1a、後壁1e、及び右壁1dの3つの側壁には設けられているが、左壁1cには設けられていない。
これにより、セル本体1の内部空間Sとして必要な容積を非常に小さくすることができ、その結果、内部空間Sに導入される試料ガスの置換速度を向上させることが可能となり、分析の応答速度を大幅に向上させることができる。
これにより、多重反射により光路長を長くしつつ、ミラー2の小型化を図ることができ、従来のセル本体1よりも内部空間Sの容積を非常に小さくすることが可能となる。
これに対して、本実施形態の多重反射セル20は、一対のミラー2として球面ミラーを用いたヘリオットセルであるので、内部空間Sの容積の小型化を図りつつ、製造コストを低減させることができる。
これに対して、本実施形態において一対のミラー2として用いている球面ミラーは、曲率半径が1つに定まっているので、トロイダルミラーを用いた場合に比べて、多重反射セル20の組み立て性が良い。
具体的には、図7に示すように、第2セル要素12がセル本体1の上壁1fの一部を構成していても良いし、図8に示すように、第1セル要素11が少なくとも底壁1b及び後壁1eを構成し、第2セル要素12が少なくとも上壁1f及び前壁1aを構成しても良い。
各原型ミラーは、これらの間で光が多重反射することにより各原型ミラーの反射面に形成される光スポットが、上述した細長領域に点在するように、ミラー直径、ミラー間距離、光通過穴の穴径、反射面の曲率半径などの種々のパラメータを適宜設定したものである。
そして、各原型ミラーの細長領域以外の部分を切断して取り除くことで、一対のミラーが細長領域に沿った細長形状に製造される。なお、細長領域Zを残すようにすれば、必ずしも各原型ミラーの細長領域以外の全部を取り除く必要はない。
さらに、光スポットPは、直線上に点在する必要はなく、例えば図9(b)のように楕円上に点在しても良い。
情報処理装置40は、図10に示すように、前記半導体レーザ10の出力を制御する光源制御部41や、前記光検出器30からの出力信号を受信し、その値を演算処理して測定対象成分の濃度を算出する信号処理部42しての機能を発揮する。
第1算出部421は、試料ガスが封入され、その中の測定対象成分による光吸収が生じる状態での前記多重反射セル20を透過したレーザ光(以下、測定対象光ともいう。)の光強度と、光吸収が実質的にゼロ状態での前記多重反射セル20を透過したレーザ光(以下、参照光ともいう。)の光強度との比の対数(以下、強度比対数ともいう。)を算出するものである。
具体的には、ゼロガスが多重反射セル20に封入された状態での光検出器30からの出力信号を受信し、その値を測定結果データ格納部に格納する。この参照測定における光検出器30の出力信号の値、すなわち参照光強度を時系列グラフで表すと、図12(a)のようになる。すなわち、レーザの駆動電流(電圧)の変調による光出力の変化のみが光検出器30の出力信号に表れている。
一般的に、吸光度信号A(t)をフーリエ級数展開すると、次式(数2)で表される。
なお、式(数2)におけるanが測定対象成分の濃度に比例する値であり、この値anに基づいて前記第2算出部423が測定対象成分の濃度を示す濃度指示値を算出する。
以上が、試料ガスに測定対象成分以外の干渉成分が含まれていない場合のガス分析装置100の動作例である。
測定対象成分と干渉成分の光吸収スペクトルは形状が違うため、それぞれの成分が単独で存在する場合の吸光度信号は波形が異なり、各周波数成分の割合が異なる(線形独立)。このことを利用し、測定された吸光度信号の各周波数成分の値と、あらかじめ求めた測定対象成分と干渉成分の吸光度信号の各周波数成分の関係を用いて、連立方程式を解くことにより、干渉影響が補正された測定対象成分の濃度を得ることができる。
すなわち、この場合のガス分析装置100は、メモリの所定領域に、例えば事前にスパンガスを流して予め測定するなどして、前記測定対象成分及び干渉成分が単独で存在する場合のそれぞれの吸光度信号の周波数成分a1m、a2m、a1i、a2iを記憶している。具体的には、前例同様、測定対象成分及び干渉成分それぞれにおいて、測定対象光強度と参照光強度とを測定して、それらの強度比対数(吸光度信号)を算出し、該強度比対数からロックイン検波するなどして前記周波数成分a1m、a2m、a1i、a2iを求め、これらを記憶する。なお、前記周波数成分ではなく、単位濃度当たりの吸光度信号Am(t)、Ai(t)を記憶して、前記式(数4)から周波数成分a1m、a2m、a1i、a2iを算出するようにしてもよい。
その後、前記周波数成分抽出部422が、前記強度比対数を前記変調周波数fm及びその2倍の周波数2fmを有する参照信号でロックイン検波して、各周波数成分a1、a2(ロックインデータ)を抽出し、メモリの所定領域に格納する。
20 ・・・多重反射セル
S ・・・内部空間
1 ・・・セル本体
2A、B・・・ミラー
21 ・・・反射面
P ・・・光スポット
Z ・・・細長領域
11 ・・・第1セル要素
12 ・・・第2セル要素
5 ・・・スライド機構
51 ・・・第1スライド面
52 ・・・第2スライド面
53 ・・・押し込み部材
54 ・・・ガイド面
Claims (11)
- 内部空間に試料ガスが導入されるセル本体と、前記内部空間に対向して設けられた一対のミラーとを具備し、前記セル本体の入射窓から入射した光が前記一対のミラーの間で多重反射して前記セル本体の射出窓から射出するヘリオットセルである多重反射セルであって、
前記一対のミラーが、球面ミラーであり、前記光の多重反射により前記各ミラーの反射面に形成される光スポットが所定幅の細長領域に点在するように構成されており、
前記各ミラーが、前記細長領域の長手方向に沿った細長形状をなし、前記セル本体の扁平形状の内部空間に設けられており、
前記各ミラーの細長形状の厚みの薄い方向が、前記セル本体の扁平形状の内部空間の厚みの薄い方向に沿っていることを特徴とする多重反射セル。 - 前記細長領域の長手方向に沿った前記各ミラーの長さが、前記細長領域の長手方向と直交する幅方向に沿った前記各ミラーの長さの2倍以上である請求項1記載の多重反射セル。
- 前記長手方向に沿った前記各ミラーの長さが、前記幅方向に沿った前記各ミラーの長さの3倍以上である請求項2記載の多重反射セル。
- 前記光スポットが前記細長領域に直線上、放物線上、又は楕円上に点在する請求項1乃至3のうち何れか一項に記載の多重反射セル。
- 前記ミラーの長手方向に沿った前記セル本体の長さが、前記ミラーの幅方向に沿った前記セル本体の長さよりも長い請求項1乃至4のうち何れか一項に記載の多重反射セル。
- 前記セル本体が、当該セル本体を構成する少なくとも2つのセル要素を有し、
前記2つのセル要素の一方に前記一対のミラーの一方が固定されるとともに、前記2つのセル要素の他方に前記一対のミラーの他方が固定されており、
前記2つのセル要素の間に、前記一方のセル要素に対して前記他方のセル要素をスライドさせるスライド機構が設けられている請求項1乃至5のうち何れか一項に記載の多重反射セル。 - 前記各ミラーが、所定の基準平面に対して当該基準平面と直交する方向に位置決めされており、
前記スライド機構が、前記一方のセル要素に対して前記他方のセル要素を前記基準平面と平行な面内方向に沿ってスライドさせる請求項6記載の多重反射セル。 - 前記スライド機構が、前記一方のセル要素に形成された第1スライド面と、前記他方のセル要素に形成されるとともに前記第1スライド面に面接触する第2スライド面とを有している請求項6又は7記載の多重反射セル。
- 前記スライド機構が、前記他方のセル要素に接触するとともに、当該他方のセル要素のスライド方向を規制するガイド面を有している請求項6乃至8のうち何れか一項に記載の多重反射セル。
- 請求項1乃至9のうち何れか一項に記載された多重反射セルと、
前記入射窓に光を射出する光源と、
前記射出窓から射出された光を検出する光検出器と、
前記光検出器により検出された光強度信号に基づいて前記試料ガスを分析する情報処理装置とを具備するガス分析装置。 - 試料ガスが導入されるセル本体の内部空間に対向して一対のミラーを設け、前記セル本体とともにヘリオットセルである多重反射セルを構成する方法であって、
前記一対のミラーが、球面ミラーであり、
前記一対のミラーの原型となる一対の原型ミラーを細長形状に切断し、光の多重反射により前記一対のミラーの反射面に形成される光スポットが所定幅の細長領域に点在するように、前記一対の原型ミラーを厚みの薄い形状に変更し、
前記一対のミラーを前記セル本体の扁平形状の内部空間に設け、
前記各ミラーの細長形状の厚みの薄い方向を、前記セル本体の扁平形状の内部空間の厚みの薄い方向に沿わせることを特徴とする多重反射セルの構成方法。
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